DE19524577C2 - Sensor for CCD camera - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Sensor für eine CCD-Kamera mit mehreren parallel zueinander angeordneten, aus lichtempfindlichen Sensorzellen bestehenden vertikalen Zeilen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 (Zusatzanmeldung zu Akz. P 44 36 426.1-31).The invention relates to a sensor for a CCD camera several arranged in parallel existing vertical rows of light-sensitive sensor cells according to the preamble of claim 1 (additional application to Acc. P 44 36 426.1-31).
Das Grundprinzip, Sensorladungen im CCD-Sensor zusammenzufassen wird auch in DE 39 42 615 A1 verwendet um ein elektronisches Heranzoomen in vertikaler Richtung zu ermöglichen. Fig. 1a zeigt einen hierfür typischen CCD-Sensor. Neben je zwei vertikal benachbarten Sensorzellen (1, 2; 4, 5; . . .; 28, 29; 10, 11; 13, 14; . . .) liegt je eine Speicherzelle (3; 6; . . .; 30; 12; 15; . . .).Im normalen Betrieb werden die Ladungen von zwei vertikal benachbarten Sensorzellen (1, 2; 4, 5; . . .) gemeinsam in die jeweils benachbarte Speicherzelle (3; 6; . . .) transferiert und von dort ausgelesen. Beim Heranzoomen wird jeweils nur eine Sensorladung (1; 4; . . .) in die entsprechende Speicherzelle (3; 6; . . .) transferiert und ausgelesen. Die jeweils darunterliegenden Sensorzellen (2; 5;. . .) werden im nächsten Halbbildtransfer in die gleichen Speicherzellen (3; 6; . . .) transferiert und ausgelesen. Diese Druckschrift beschreibt weitere Details, z. B. wie der sogenannt Zeilenversatz vermieden wird.The basic principle of combining sensor charges in the CCD sensor is also used in DE 39 42 615 A1 in order to enable electronic zooming in in the vertical direction. Fig. 1a shows a typical CCD sensor for this. In addition to two vertically adjacent sensor cells ( 1 , 2 ; 4 , 5 ;...; 28 , 29 ; 10 , 11 ; 13 , 14 ;...) There is one memory cell ( 3 ; 6 ; .. ; 30 ; 12 ; 15 ;.... In normal operation, the charges from two vertically adjacent sensor cells ( 1 , 2 ; 4 , 5 ;...) Are transferred together into the respectively adjacent memory cell ( 3 ; 6 ;...) And read from there. When zooming in, only one sensor charge ( 1 ; 4 ;...) Is transferred to the corresponding memory cell ( 3 ; 6 ;...) And read out. The respective underlying sensor cells ( 2 ; 5; ... ) are transferred to the same memory cells ( 3 ; 6 ; ... ) in the next field transfer and read out. This document describes further details, e.g. B. how to avoid the so-called line offset.
Ungelöst ist jedoch das Zoomen, bzw. das Zusammenfassen von Sensorladungen in horizontaler Richtung, also z. B. der Transfer der Sensorladungen (1, 4; . . ., 10, 13; . . .; 19, 22; . . .) in die Speicherzellen (3; . . .; 12; . . .; 21; . . .) . Hierzu müßten benachbarte Ladungen einer Zeile in entgegengesetzte Richtungen bewegt werden. Dies ist mit der normalen CCD-Architektur nicht möglich.However, zooming or summarizing sensor charges in the horizontal direction is unsolved, e.g. (....... 1. 4; 10, 13;.; 19, 22) as the transfer of sensor charges into the memory cells (3;...; 12;...; 21;. ..). To do this, adjacent charges on a line would have to be moved in opposite directions. This is not possible with the normal CCD architecture.
Nicht erkannt wurde in DE 39 42 615 A1 ferner wie und in welchem Maß das Zusammenfassen von Sensorzellen zur Steigerung der Lichtempfindlichkeit verwendet werden kann. Auch ist es mit dem beschriebenen Verfahren prinzipiell nicht möglich, die Ladungen aus einer großen Anzahl von Sensorzellen, z. B. 1, 4, 7, 2, 5, 8, 10, 13, 16, 11, 14, 17 in horizontaler und vertikaler Richtung zusammenzufassen. Das Zusammenfassen müßte ja dann über die dazwischenliegenden Speicherzellen 3, 6, 12, 15 hinweg stattfinden.Furthermore, DE 39 42 615 A1 did not recognize how and to what extent the combination of sensor cells can be used to increase sensitivity to light. It is also in principle not possible with the described method to charge the charges from a large number of sensor cells, for. B. 1 , 4 , 7 , 2 , 5 , 8 , 10 , 13 , 16 , 11 , 14 , 17 in the horizontal and vertical directions. The merging would then have to take place across the intervening memory cells 3 , 6 , 12 , 15 .
Für die Zielsetzung einer Steigerung und freien Einstellbarkeit der Lichtempfindlichkeit wäre dies aber gerade wünschenswert.For the goal of an increase and free adjustability this would be desirable in light sensitivity.
Die prinzipielle Möglichkeit benachbarte Sensorladungen zu addieren ist bekannt und wird z. B. von W. Yang und A. Chiang in dem Beitrag: "A Full Fill-FActor CCD Imager with Integrated Siganl Processors", /1990 IEEE International Solid-State Circuits Conference, FAM 13.4, Seite 218-219, 1990/ beschrieben. Die Lösung ist jedoch aufwendig und es bedarf neben der Sensorfläche zusätzlicher Chipfläche für die Verarbeitungseinheit. Diese Chipfläche geht außerdem der lichtintegrierenden Sensorfläche verloren, was der Zielsetzung der Lichtempfindlichkeitssteigerung gerade entgegen wirkt.The basic possibility of adjacent sensor charges add is known and is z. B. by W. Yang and A. Chiang in the article: "A Full Fill-FActor CCD Imager with Integrated Siganl Processors ", / 1990 IEEE International Solid-State Circuits Conference, FAM 13.4, pages 218-219, 1990 / described. The solution is complex, however, and it is required in addition the sensor area additional chip area for the Processing unit. This chip area also goes light-integrating sensor area is lost, which is the objective counteracts the increase in light sensitivity.
Schließlich spricht DE 39 42 615 A1 auch die Möglichkeit des Einsatzes von Farb-CCD-Sensoren nach dem Mosaik Prinzip an. In dem Mosaik-Sensor sind optische Filter mit vier Mischfarben schachbrettartig über die Sensorzellen gelegt. In dem bekannten Normalbetrieb werden jeweils vier vertikal benachbarte Sensorzellen zu Mischfarben zusammengefaßt. Im Zoombetrieb werden nur jeweils zwei vertikal benachbarte Sensorzellen zusammengefaßt. Außerhalb des Sensors werden dann die Mischfarben berechnet. Das beschriebene Verfahren ist aber prinzipiell auf das Heranzoomen und auf die vertikale Richtung beschränkt. Würde man das beschriebene Prinzip auf die horizontale Richtung übertragen ergibt sich unweigerlich die Mischfarbe Weiß und die Farbinformation ist verloren. Bei der Unterdrückung des Schrotrauschens ist es aber gerade wichtig Sensorladungen sowohl in vertikaler wie in horizontaler Richtung zusammenzufassen.Finally, DE 39 42 615 A1 also speaks the possibility of Use of color CCD sensors based on the mosaic principle. In the mosaic sensor are optical filters with four mixed colors laid like a checkerboard over the sensor cells. In the well-known Normal operation will be four vertically adjacent ones Sensor cells combined in mixed colors. In zoom mode are only two vertically adjacent sensor cells summarized. Outside of the sensor, the Mixed colors calculated. The procedure described is however principally on zooming in and on the vertical direction limited. Would the principle described be based on the horizontal direction results inevitably Mixed color white and the color information is lost. In the It is important to suppress the shot noise Sensor charges in both vertical and horizontal directions summarize.
Beim Zusammenfassen von Sensorladungen tritt ein weiterer unerwünschter Effekt auf. Bei gleichem Auslesetakt, werden weniger Bildpunkte ausgelesen und die Bilder erscheinen dadurch verkleinert. In DE 39 42 615 A1 ist dieser Zoomeffekt die Aufgabe. Im Falle der Schrotrauschunterdrückung ist der Zoomeffekt gerade nicht erwünscht.When combining sensor charges, another occurs undesirable effect. With the same read cycle, fewer pixels are read out and the images appear as a result downsized. In DE 39 42 615 A1 this zoom effect is the Task. In the case of shot noise reduction, the Zoom effect just not wanted.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrundeThe invention is based on the object
- (1) Schrotrauschen durch vertikales und horizontales Zusammenfassen von Sensorzellenladungen (Makrozellenintegration) zu unterdrücken und eine einhergehende Bildverkleinerung (Zoom) ganz und eine Auflösungsreduktion weitgehend zu vermeiden sowie(1) Shot noise from vertical and horizontal grouping of sensor cell charges Suppress (macro cell integration) and a accompanying image reduction (zoom) whole and one Avoid resolution resolution as much as possible
- (2) den Einsatz von Farb-CCD-Sensoren zu ermöglichen und Farb-Makrozellen zu bilden, aus denen identisch zum Normalbetrieb, also ohne zusätzliche Verarbeitungseinheit, das Farbsignal ableitbar ist.(2) enable the use of color CCD sensors and Color macro cells form from which identical to Normal operation, so without additional Processing unit, the color signal can be derived.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kennzeichnungsmerkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Der Vorteil ist, daß durch das Zusammenfassen der Sensorladungen im Sensor das Schrotrauschen stärker unterdrückt wird als bei einem Zusammenfassen hinter dem Ausleseverstärker des Sensors. Durch die erfindungsgemäße Verschiebung der Makrozellen und die gleichzeitige Verwendung eines Bildspeichers wird weiterhin eine Bildverkleinerung vermieden. Die für den Erhalt der Bildgröße nötigen Zwischenwerte entstehen in Echtzeit und ohne einen aufwendigen Rechner oder Spezialbaustein, der die für eine Laufbilddarstellung nötigen Zwischenwerte in Echtzeit berechnen müßte. Außerdem wird der mit dem Zusammenfassen der Ladungen einhergehende Auflösungsverlust weitgehend vermieden.This object is achieved by the Characteristic features of claim 1 solved. The advantage is that by combining the sensor charges in the sensor the shot noise is suppressed more than one Summarize behind the readout amplifier of the sensor. By the shift of the macro cells according to the invention and the simultaneous use of an image memory will continue to be Image reduction avoided. The one for preserving the image size necessary intermediate values arise in real time and without one elaborate computer or special module, which for a Compute the intermediate values necessary in real time ought to. In addition, the one with the grouping of the charges associated loss of resolution largely avoided.
Ein weiterer Vorteil ist gemäß Anspruch 1b, daß auch Farbsensoren verwendet werden können und trotz horizontal und vertikal ausgedehnter Makrozellen die Farbinformation überraschenderweise nicht verloren geht. Besonders vorteilig ist dabei, daß gemäß Anspruch 2 und 3 die zur Farbbilddarstellung nötige Weiterverarbeitung trotz Makrozellenbildung unverändert bleibt, also auch hierfür kein aufwendiger Rechner oder zusätzlicher Spezialbaustein nötig ist.Another advantage is according to claim 1b that Color sensors can be used and despite horizontal and vertically extended macro cells the color information surprisingly not lost. Is particularly advantageous thereby that according to claim 2 and 3 for color image display necessary further processing unchanged despite macro cell formation remains, so no complex computer or additional special module is necessary.
Durch Anspruch 4 entsteht der Vorteil, bei bewegten Gegenständen das Schrotrauschen zusätzlich durch Mehrfachbelichtungen zu unterdrücken, ohne daß Bewegungsunschärfe entsteht. Dadurch, daß das Bild in den Speicherzellen synchron zur Bewegung des Gegenstandes verschoben wird, entsteht eine aktive Kompensation der Bewegungsunschärfe. Dies kann besonders bei der Beobachtung von Produktionsprozessen von Vorteil sein. Mit Anspruch 5 wird die Aufgabe gelöst, die Kamera auf die Geschwindigkeit des bewegten Gegenstandes zu synchronisieren. Weiter kann es nach Patentanspruch 7 vorteilig sein, die Verschiebung der Makrozellen mechanisch vorzunehmen. Dies ist vorteilig wenn aus Gründen einer einfacheren Ansteuerung ein CCD-Sensor eingesetzt wird, der zwar eine Makrozellenintegration ermöglicht, aber eine Verschiebung der Makrozellen nicht gestatten. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird trotzdem die Bildverkleinerung ganz und die Auflösungsreduktion weitgehend vermieden.Claim 4 gives the advantage of moving objects the shot noise due to multiple exposures suppress without causing motion blur. As a result of that the image in the memory cells synchronized with the movement of the Object is moved, active compensation arises the motion blur. This can be especially true when observing of production processes can be an advantage. With claim 5 the task solved, the camera on the speed of the synchronize moving object. It can continue after Claim 7 be advantageous, the shift of To carry out macro cells mechanically. This is beneficial when out A CCD sensor is used for easier control that allows macro cell integration, but one Do not allow displacement of the macro cells. Through the configuration according to the invention will nevertheless Image reduction entirely and the reduction in resolution largely avoided.
Im folgenden werden anhand von Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Es zeigt In the following, exemplary embodiments are described with reference to drawings of the invention explained. It shows
Fig. 1a den prinzipiellen Aufbau und das Auslesen eines bildgebenden Sensors einer CCD-Kamera, FIG. 1a shows the basic construction and the reading of an imaging sensor of a CCD camera,
Fig. 1b den prinzipiellen Aufbau eines Sensors mit nur dreimal sechs Sensorzellen und dreimal drei Speicherzellen, FIG. 1b shows the basic structure of a sensor with only three times six sensor cells and three times three memory cells,
Fig. 1c den prinzipiellen Aufbau eines Sensors mit nur viermal acht Sensorzellen und viermal vier Speicherzellen, Fig. 1c shows the basic structure of a sensor with only four times eight sensor cells and four times four memory cells,
Fig. 2 die Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses beim Zusammenfassen von Ladungen im Sensor im Vergleich zur Mittelung benachbarter Bildintensitäten außerhalb des Sensors, Fig. 2 shows the improvement in the signal / noise ratio when combining of charges in the sensor as compared to the averaging of adjacent image intensities outside the sensor,
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Kamera mit CCD-Sensor Fig. 3 is a block diagram of a camera with a CCD sensor
Fig. 4 den Betrag der örtlichen Übertragungsfunktion bei einmal vier, einmal zwei und einmal eins Makrozellen Fig. 4 shows the amount of the local transfer function at four, once two and once one macro cells
Fig. 5a das Zusammenfassen von einmal drei Farb-Makrozellen, Fig. 5a the combining of only three color macrocells
Fig. 5b das Zusammenfassen von dreimal eins Farb-Makrozellen, Fig. 5b the grouping of three times one color macrocells
Fig. 5c das Zusammenfassen von einmal fünf Farb-Makrozellen. Fig. 5c summarizing once five color macro cells.
Das Zusammenfassen der Ladungen von Sensorzellen im CCD-Sensor bringt eine Verbesserung der Lichtempfindlichkeit wie Experimente (Fig. 2) zeigen. Überraschend ist, daß die Mittelung 47 der Ladungen im CCD-Sensor der Mittelung 48 außerhalb des Sensor überlegen ist. Im ersten Fall verbessert sich der Signalrauschabstand proportional zur Anzahl N der gemittelten Sensorzellen, im zweiten Fall nur proportional zur Wurzel aus N. Der Grund ist das Auftreten des Schrotrauschens (Photonenrauschens) bei schwachen Lichtintensitäten, wie auch kompliziertere theoretische Überlegungen zeigen /J.W. Goodmann and J.F. Belscher, "Photon limited images and their restoration," ARPA Order No. 2646, Technical Rep. RADC-TR-/6-50 (Rome Air Develop Center, New York, 1976; B. Wirnitzer: "Bispectral analysis at low light levels and astronomical speckle masking", J.Opt.Soc.Am.A, Vol.2. No. 1, 1985/.Summarizing the charges from sensor cells in the CCD sensor brings an improvement in photosensitivity, as experiments ( FIG. 2) show. It is surprising that the averaging 47 of the charges in the CCD sensor is superior to the averaging 48 outside the sensor. In the first case, the signal-to-noise ratio improves in proportion to the number N of averaged sensor cells, in the second case only in proportion to the root of N. The reason is the occurrence of shot noise (photon noise) at low light intensities, as also more complicated theoretical considerations show / JW Goodmann and JF Belscher, "Photon limited images and their restoration," ARPA Order No. 2646, Technical Rep. RADC-TR- / 6-50 (Rome Air Develop Center, New York, 1976; B. Wirnitzer: "Bispectral analysis at low light levels and astronomical speckle masking", J.Opt.Soc.Am.A , Vol.2. No. 1, 1985 /.
Die Aufgabe ist nun das Schrotrauschen (Photonenrauschen) zu vermeiden, indem Ladungen wie folgt zusammengefaßt werden: The task is now the shot noise (photon noise) too avoid by grouping loads as follows:
In Fig. 1b wird gezeigt wie die Ladungen der Sensorzellen 1′, 2′, 4′, 5′, 7′, 8′, 10′, 11′, 13′, 14′, 16′, 17′, 19′,20′,22′,23′,25′, 26 zu einer dreimal drei Makrozelle zusammengefaßt werden. Selbstverständlich können bei einem anderen Ausführungsbeispiel auch weniger oder mehr Einheiten zu einer Makrozelle zusammengefaßt werden, ohne daß der Rahmen der Erfindung verlassen würde. Ebenso ist es möglich, daß der Sensor aus vielen, identischen oder unterschiedliche Makrozellen aufgebaut wird.In Fig. 1b it is shown how the charges of the sensor cells 1 ', 2 ', 4 ', 5 ', 7 ', 8 ', 10 ', 11 ', 13 ', 14 ', 16 ', 17 ', 19 ', 20 ', 22 ', 23 ', 25 ', 26 can be combined into a three times three macro cell. Of course, in another exemplary embodiment, fewer or more units can also be combined to form a macro cell without departing from the scope of the invention. It is also possible that the sensor is made up of many identical or different macro cells.
Die funktionelle Abfolge ist hier, daß nach einer Belichtung die Ladungen der Sensorzellen 1′, 2′; 4′, 5; 7′, 8′; 10′, 11′; 13′, 14′; 16′, 17′; 19′, 20′; 22′, 23′; 25′, 26′ in einem Halbbildtransfer in die danebenliegenden Speicherzellen 3′; 6′; 9′; 12′; 15′; 18′; 21′; 24′; 27′ transferiert werden. In einem zweiten Schritt werden durch zwei nachfolgende Vertikaltransfers in den Speicherzellen 38′, 39′, 40′ die Ladungen 3′+12′+21′, 6′+15′+24′ bzw. 9′+18′+27′ entstehen. Das weitere Zusammenfassen zu größeren Makrozellen mit horizontaler Ausdehnung erfolgt in einem dritten Schritt viele Takte später am Ausgang 37′ des horizontalen Schieberegisters 37′, 38′; 39′; 40′ durch wiederholte Horizontaltransfers ohne Auslesen der Zelle 37′.The functional sequence here is that, after exposure, the charges of the sensor cells 1 ', 2 '; 4 ′, 5 ; 7 ′, 8 ′; 10 ′, 11 ′; 13 ′, 14 ′; 16 ′, 17 ′; 19 ′, 20 ′; 22 ′, 23 ′; 25 ', 26 ' in a field transfer to the adjacent memory cells 3 '; 6 ′; 9 ′; 12 ′; 15 ′; 18 ′; 21 ′; 24 ′; 27 'are transferred. In a second step, the charges 3 ′ + 12 ′ + 21 ′, 6 ′ + 15 ′ + 24 ′ and 9 ′ + 18 ′ + 27 ′ are created by two subsequent vertical transfers in the memory cells 38 ′, 39 ′, 40 ′ . The further merging into larger macro-cells with horizontal expansion takes place in a third step many cycles later at the output 37 'of the horizontal shift register 37 ', 38 '; 39 ′; 40 'by repeated horizontal transfers without reading the cell 37 '.
Überraschend ist, daß auch durch die Schritte zwei und drei eine Empfindlichkeitssteigerung erzielt wird, die proportional zu der Anzahl N der zusammengefaßten Sensorzellen ist und dies obwohl der eigentliche Prozeß des Zusammenfassens viele Takte später im horizontalen Schieberegister stattfindet! Insbesonders bei Sensoren mit sehr vielen Makrozellen kann das Zusammenfassen mehrere hundert Takte nach der Belichtung stattfinden. Messungen zeigen, daß außerhalb des Sensors, direkt hinter dem Ausleseverstärker der Gewinn nur noch Wurzel aus N ist, wie in Fig. 2 gezeigt.It is surprising that steps two and three also result in an increase in sensitivity which is proportional to the number N of sensor cells combined, and this despite the fact that the actual process of combining takes place many cycles later in the horizontal shift register! In the case of sensors with a large number of macro cells in particular, the combination can take place several hundred cycles after exposure. Measurements show that outside the sensor, directly behind the readout amplifier, the gain is now only a root of N, as shown in FIG. 2.
Die beschriebene Makrozellenintegration vor dem Ausleseverstärker bewirkt eine Verkleinerung (Zoom) und Auflösungsreduktion des Bildes. Im Gegensatz zu DE 39 42 615 A1 ist der Zoom hier gerade nicht erwünscht und soll vermieden werden. Nachfolgend wird beschrieben, wie sich beides vorzugsweise vermeiden bzw. minimieren läßt.The macro cell integration described before Readout amplifier causes a reduction (zoom) and Reduction of the resolution of the image. In contrast to DE 39 42 615 A1 zoom is not wanted here and should be avoided will. The following describes how both are preferably avoided or minimized.
Fig. 3 zeigt eine vorzugsweise verwendete Anordnung. Der CCD-Sensor 42 wird von einer speziellen Einheit 43 angesteuert. Die ausgelesenen Bilddaten gehen entweder direkt an die Videoausgabeeinheit 44 oder in einen Bildspeicher 46. Die Daten im Bildspeicher können auch von einen Rechner 45 verarbeitet werden. Der Rechner ist aber für normalen Laufbildbetrieb nicht nötig. Fig. 3 shows an arrangement preferably used. The CCD sensor 42 is controlled by a special unit 43 . The read image data either go directly to the video output unit 44 or into an image memory 46 . The data in the image memory can also be processed by a computer 45 . However, the computer is not necessary for normal motion picture operation.
Nachfolgend wird für den Fall von zweimal zwei Makrozellen mit Hilfe von Fig. 1c beschrieben, wie eine Bildverkleinerung und eine Auflösungsreduktion vermieden wird, ohne daß der Rechner 45 benötigt wird. Hierzu wird die Bildintensität der Makrozelle 3′′+6′′+12′′+15′′ an die Bildspeicherposition b(0,0) und die benachbarte Makrozelle 9′′+30′′+18′′+33′′ an die Bildspeicherposition b(0,2) geschrieben und die Bildspeicher positionen b(0,1), b(1,0), b(1,1) sowie b(0,3), b(1,2), b(1,3) bleiben zunächst unbeschrieben. Im nachfolgenden Bild werden die Makrozellen entsprechend ihrer horizontalen und vertikalen Ausdehnung schrittweise verschoben und die zwischenliegenden Bildspeicherpositionen wie folgt beschrieben. Im erst folgenden Bild wird die Makrozelle 6′′+9′′+15′′+18′′ gebildet und an die Bildspeicherposition b(0,1) geschrieben. Im zweitfolgenden Bild die Makrozelle 12′′+15′′+21′′+24′′ gebildet und an die Bildspeicherposition b(1,0) geschrieben und im drittfolgendem Bild die Makrozelle 15′′+18′+24′+27′′ gebildet und an die Speicherposition b(1,1) geschrieben. Alle weitern Makrozellen werden entsprechend behandelt. Das komplette Bild ist dann ohne Verkleinerung im Bildspeicher abgelegt. Das Bild im Bildspeicher wird unabhängig von den Schreibvorgängen durch die Videoausgabeeinheit 44 ständig sequentiell ausgelesen, also b(0,0), b(0,1), b(0,2), b(0,3) . . ., b(1,0), b(1,1) . . .For the case of two macro cells twice, FIG. 1 c describes how an image reduction and a resolution reduction are avoided without the computer 45 being required. For this purpose, the image intensity of the macro cell 3 ′ ′ + 6 ′ ′ + 12 ′ ′ + 15 ′ ′ at the image storage position b (0.0) and the neighboring macro cell 9 ′ ′ + 30 ′ ′ + 18 ′ ′ + 33 ′ ′ on the image memory position b (0.2) is written and the image memory positions b (0.1), b (1.0), b (1.1) and b (0.3), b (1.2), b ( 1,3) remain blank. In the image below, the macro cells are gradually shifted according to their horizontal and vertical dimensions and the intermediate image storage positions are described as follows. In the first picture below, the macro cell 6 ′ ′ + 9 ′ ′ + 15 ′ ′ + 18 ′ ′ is formed and written to the picture storage position b (0,1). In the second picture below the macro cell 12 ′ ′ + 15 ′ ′ + 21 ′ ′ + 24 ′ ′ is formed and written to the image storage position b (1.0) and in the third picture below the macro cell 15 ′ ′ + 18 ′ + 24 ′ + 27 ′ 'Formed and written to the storage position b (1,1). All other macro cells are treated accordingly. The complete image is then stored in the image memory without reduction. The image in the image memory is continuously read out sequentially, ie b (0.0), b (0.1), b (0.2), b (0.3), independently of the write processes by the video output unit 44 . . ., b (1.0), b (1.1). . .
Natürlich können auch andere bekannte Interpolationsverfahren, wie z. B. die Interpolation mit einer Funktion der Form sin(x)/x oder eine lineare Interpolation von dem Rechner 45 durchgeführt werden.Of course, other known interpolation methods, such as. B. the interpolation with a function of the form sin (x) / x or a linear interpolation can be performed by the computer 45 .
Der Nachteil ist, daß diese Berechnungen nur durch teuere Spezialbausteine in Echtzeit durchgeführt werden können. Die oben beschriebene Interpolation mit Verschiebung der Makrozellen hat zusätzlich den Vorteil, daß ein Auflösungsverlust vermieden wird. Eine mit Standardmethoden durchgeführte Berechnung der theoretische Auflösung zeigt, daß für Makrozellen der Größe zweimal zwei die maximal mögliche Ortsauflösung von 1/(2*Abtastabstand) erreicht wird. Fig. 4 gibt die Ergebnisse der berechneten Übertragungsfunktion für eindimensional ausgedehnte Makrozellen und der erfindungsgemäßen Interpolation. Bei der Berechnung wurde davon ausgegangen, daß die Sensorzellen direkt aneinandergrenzen. Diese Annahme trifft zu, da normalerweise über den Sensorzellen Linsenraster liegen die das Licht das auf die Speicherzellen fallen würde auf die Sensorzellen bringen. Für den Fall von einmal zwei Makrozellen hat die Übertragungsfunktion (ÜTF) keine Nullstellen unterhalb der theoretischen Auflösungsgrenze. Der leichte Kontrastverlust bei hohen Frequenzen ist kompensierbar. Auch für Makrozellen der Größe einmal vier sind die Ortsfrequenzen bis zur theoretischen Grenze vorhanden. Die Nullstelle bei der Frequenz 1/(2*Abtastabstand) zeigt, daß jedoch eine ganz definierte Frequenzkomponente verloren geht.The disadvantage is that these calculations can only be carried out in real time using expensive special modules. The above-described interpolation with shifting of the macro cells has the additional advantage that a loss of resolution is avoided. A calculation of the theoretical resolution carried out using standard methods shows that the maximum possible spatial resolution of 1 / (2 * scanning distance) is achieved for macro cells the size of two. Fig. 4 shows the results are the calculated transfer function for one-dimensionally extended macro cells and the interpolation according to the invention. The calculation assumed that the sensor cells directly adjoin one another. This assumption is correct, since there are normally lenticular grids over the sensor cells, which bring the light that would fall on the memory cells to the sensor cells. In the case of two macro cells, the transfer function (ÜTF) has no zeros below the theoretical resolution limit. The slight loss of contrast at high frequencies can be compensated for. The spatial frequencies up to the theoretical limit are also available for macro cells of four. The zero at the frequency 1 / (2 * sampling distance) shows that a completely defined frequency component is lost.
Das beschriebene Interpolationsverfahren zeigt bei Standbildern von bewegten Gegenständen Störungen. Ein bewegtes Auto befindet sich bei zweimal zwei Makrozellen verschoben vier mal im Bild. Die Verschiebung kann jedoch mit bekannten Verfahren berechnet und kompensiert werden /J.,R. Ohm: "Digitale Bildcodierung," Kap.16, Springer, Berlin, 1995)/. Solange das Auto nicht aus dem Bildfeld fährt ist nur die Ortsauflösung hinter dem Auto reduziert.The interpolation procedure described shows for still images interference from moving objects. There is a moving car when two macro cells are two times shifted four times in the picture. However, the shift can be calculated using known methods and be compensated /J.,R. Ohm: "Digital image coding," Chap. 16, Springer, Berlin, 1995) /. As long as the car doesn't stop only the spatial resolution behind the car reduced.
Die Aufgabe auch Farbmakrozellen zu bilden wird wie folgt gelöst.The task of forming color macro cells is as follows solved.
Zur Beschreibung von Farbbildern werden für jeden Bildpunkt 3 Farbkomponenten z. B. Rot R, Grün G und Blau B (RGB) benötigt. In der Videotechnik werden oft nicht direkt RGB sondern die das Luminanzsignal Y = R+G+B und die Farbdifferenzsignale Y-R und Y-B übertragen.To describe color images, 3 Color components e.g. B. Red R, Green G and Blue B (RGB) required. In video technology often does not become RGB directly, but that Luminance signal Y = R + G + B and the color difference signals Y-R and Y-B transmitted.
Moderne Farb-CCD-Sensoren besitzen über den Sensorzellen Farbfilter, die derartige Mischfarben besitzen, daß beim standardmäßigen Auslesen einer Sensorzeile abwechselnd hier mit a,c,a,c,. . . bezeichnete Farbmischsignale und bei der nächsten Zeile die Farbmischsignale b,d,b,d, . . . entstehen. In Fig. 5 ist der Zusammenhang dargestellt. Es zeigt wie die Farbmischsignale nach dem Auslesen des Sensors in einem Bildspeicher 46 abgelegt sind. Natürlich sind, wie beim Monochromsensor, im Sensor wieder Sensor- und Speicherzellen angeordnet. Zur Vereinfachung werden diese Details nicht gezeichnet.Modern color CCD sensors have color filters above the sensor cells, which have such mixed colors that when reading a sensor line as standard, alternate here with a, c, a, c ,. . . designated color mixing signals and on the next line the color mixing signals b, d, b, d,. . . arise. The relationship is shown in FIG. 5. It shows how the color mixing signals are stored in an image memory 46 after the sensor has been read out. Of course, as with the monochrome sensor, sensor and memory cells are again arranged in the sensor. To simplify matters, these details are not drawn.
Die Mischfarben a,b,c,d, haben nun die Eigenschaft, daß daraus sehr einfach das Luminanzsignal Y und die Farbdifferenzsignal R-Y und B-Y berechnet werden können. Es gilt nährungsweise:The mixed colors a, b, c, d now have the property that from this very simply the luminance signal Y and the color difference signal R-Y and B-Y can be calculated. It applies approximately:
Y = a + c; R = a-c; Gl. (1)
Y = b + d; B = b-d;Y = a + c; R = ac; Eq. (1)
Y = b + d; B = bd;
Bildet man zweimal zwei Makrozellen wie oben beschrieben, so erhält man Signale mit der Mischfarbe (a+c+c+d)=2Y. Damit ist die Farbinformation verschwunden. Das gleiche gilt bei größeren Makrozellen.If two macro cells are formed twice as described above, see above one receives signals with the mixed color (a + c + c + d) = 2Y. So that is the color information disappeared. The same applies to larger ones Macro cells.
Zum Erhalten der Farbinformation müßte man jeweils eine Farbzelle in horizontaler und vertikaler Richtung überspringen. Also die a zu den a addieren die b zu den b und so weiter. Dies geht sicherlich außerhalb des CCD-Sensors im Bildspeicher 46. Der Nachteil ist, daß außerhalb des Sensors die Steigerung der Lichtempfindlichkeit geringer ist, wie oben erläutert.To obtain the color information, one would have to skip one color cell in the horizontal and one vertical direction. So add the a to the a, the b to the b and so on. This is certainly possible outside the CCD sensor in the image memory 46 . The disadvantage is that outside the sensor the increase in light sensitivity is less, as explained above.
Weiterhin wäre im Sinne einer einfachen, einheitlichen Weiterverarbeitung der Sensorsignale wichtig, daß trotz Schrotrauschunterdrückung durch Makrozellenbildung die Farbdifferenzsignale weiterhin nach Gl. (1) aus den Makrozellenladungen gebildet werden. It would also be in the sense of a simple, uniform Further processing of the sensor signals important that despite Shot noise reduction through macrocell formation Color difference signals continue according to Eq. (1) from the Macrocell charges are formed.
Die Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Zusammenfassen von diagonal benachbarten Sensorzellen gelöst, wie in Fig. 5a dargestellt. Zwei benachbarte einmal drei Makrozellen haben die Mischfarben a+d+c und c+b+a. Das Zusammenfassen von diagonal benachbarten Sensorzellen erfolgt wieder viele Takte nach dem Halbbildtransfer im horizontalen Schieberegister. Entsprechend der obigen Erklärung sollen die vertikal gemischten Farben d+c bzw. b+a in den Registern 39 bzw. 40 und die Farben a bzw. c in Register 21 bzw. 24 stehen. Ein Horizontaltransfer bringt 39→38 und 40→39. Ein nachfolgender Vertikaltransfervertikal addiert 21+38=a+d+c bzw. 24+39= c+b+a wie oben gewünscht. Summation dieser Mischfarben ergibt (a+d+c) + (c+b+a) = 3Y. Differenzbildung ergibt (c+b+a)-(a+d+c) = b-d = B-Y.The object is achieved according to the invention by combining diagonally adjacent sensor cells, as shown in FIG. 5a. Two adjacent and three macro cells have the mixed colors a + d + c and c + b + a. The grouping of diagonally adjacent sensor cells takes place again many cycles after the field transfer in the horizontal shift register. According to the above explanation, the vertically mixed colors d + c and b + a should be in registers 39 and 40 and the colors a and c in registers 21 and 24, respectively. A horizontal transfer brings 39 → 38 and 40 → 39 . A subsequent vertical transfer vertical adds 21 + 38 = a + d + c or 24 + 39 = c + b + a as requested above. Summation of these mixed colors gives (a + d + c) + (c + b + a) = 3Y. Difference formation gives (c + b + a) - (a + d + c) = bd = BY.
Die darunter liegenden einmal drei Makrozellen ergeben die Mischfarben b+c+d und d+a+b mit der Summe (b+c+d)+(d+a+b)=3Y und der Differenz (d+a+b)-(b+c+d) = a-c = R-Y.The three macro cells underneath result in the Mixed colors b + c + d and d + a + b with the sum (b + c + d) + (d + a + b) = 3Y and the difference (d + a + b) - (b + c + d) = a-c = R-Y.
Das ist genau das Ergebnis, das man bei dem standardmäßigen Auslesen auch erhält, d. h. Gl. (1) gilt auch für die Makrozellen.This is exactly the result you get with the standard Readout also gets d. H. Eq. (1) also applies to the Macro cells.
Fig. 5b zeigt wie dreimal eins Makrozellen zusammengefaßt werden. Wieder ergibt die Summe und die Differenz der Makrozellen die gewünschten Farbmischsignale. Fig. 5b shows how three times one macrocells are summarized. Again the sum and the difference of the macro cells give the desired color mixing signals.
Fig. 5c zeigt eine Möglichkeit wie fünfmal eins Makrozellen zusammengefaßt werden können. Die Summe benachbarter Makrozellen ergibt die Luminanz SY, deren Differenz ergibt die Farbmischsignale 3 (R-Y) bzw. 3 (B-Y). Das bedeutet eine Verbesserung der Lichtempfindlichkeit um einen Faktor 5 bei der Luminanz und einen Faktor 3 bei der Farbe. Fig. 5c shows a possibility as five times one macrocell can be summarized. The sum of adjacent macro cells gives the luminance SY, the difference between which gives the color mixing signals 3 (RY) and 3 (BY). This means an improvement in light sensitivity by a factor of 5 in luminance and a factor of 3 in color.
Natürlich können auch Farb-Makrozellen mit gleichzeitig horizontaler und vertikaler Ausdehnung realisiert werden und es ist möglich die Makrozellen in aufeinanderfolgenden Bildaufnahmen zu verschieben, um die erfindungsgemäße Interpolation zu erhalten.Of course, color macro cells can also be used at the same time horizontal and vertical expansion can be realized and it is possible the macro cells in successive Moving images to the inventive To get interpolation.
Eine Reduktion des Schrotrauschens ist auch durch längere Integrationszeiten möglich. Dies führt jedoch zu einer verstärkten Bewegungsunschärfe, wenn sich Kamera oder ein beobachteter Gegenstand während der Belichtungszeit relativ zueinander bewegen. Für den Fall einer Bewegung in einer Richtung wird die Kamera nun so ausgerichtet, daß die Bewegungsrichtung in Spaltenrichtung erfolgt.A reduction in shot noise is also possible through longer ones Integration times possible. However, this leads to a increased motion blur when looking at camera or a observed object relatively during the exposure time move towards each other. In case of movement in one The camera is now oriented in such a way that the Direction of movement in column direction.
Um die Bewegungsunschärfe zu vermeiden wird entsprechend Anspruch 7 wie folgt vorgegangen. Nach dem Halbbildtransfer von den Sensorzellen in die Speicherzellen erfolgt ein Vertikaltransfer, also von 3→12, 12→. . .21, 21→38; 6→15, 15. . . →24, 24. . .→39; . . . zum Auslesen des Bildes. Vor dem nächsten Vertikaltransfer erfolgt, nach einer definierten Wartezeit ein erneuter Halbbildtransfer, also von den Sensor- in die Speicherzellen. Die Wartezeit wird dabei so gewählt, daß die Bewegung des Gegenstandsbildes auf dem Sensor synchron zur Bewegung des Ladungsbildes in den Speicherzellen erfolgt. Bei einer festen Relativgeschwindigkeit zwischen Kamera und dem beobachteten Gegenstand kann die Wartezeit zwischen den Halbbildtransfers fest eingestellt werden. Ändert sich die die Relativgeschwindigkeit, so kann sie nachgeregelt werden. Das Regelkriterium ist dabei, daß eine maximale Bildschärfe entsteht. Ein Maß für die Bildschärfe läßt sich z. B. berechnen indem das aufgenommene Bild in einem Speicher 44 abgelegt wird und die Differenz vertikal benachbarter Bildintensitäten berechnet wird. Der Mittelwert aus den Quadraten der 10 größten Differenzwerte hat sich als gutes Schärfemaß herausgestellt.In order to avoid the motion blur, the procedure according to claim 7 is as follows. After the field transfer from the sensor cells into the memory cells, there is a vertical transfer, that is from 3 → 12 , 12 →. . . 21 , 21 → 38 ; 6 → 15 , 15 . . . → 24 , 24 . . . → 39 ; . . . for reading out the image. Before the next vertical transfer, a new field transfer takes place after a defined waiting time, that is to say from the sensor cells into the memory cells. The waiting time is chosen so that the movement of the object image on the sensor takes place synchronously with the movement of the charge image in the memory cells. If the relative speed between the camera and the observed object is fixed, the waiting time between the field transfers can be fixed. If the relative speed changes, it can be readjusted. The rule criterion is that maximum image sharpness is created. A measure of the sharpness can be z. B. calculate by storing the recorded image in a memory 44 and calculating the difference between vertically adjacent image intensities. The mean of the squares of the 10 largest difference values turned out to be a good measure of sharpness.
Das obige Prinzip läßt sich direkt bei Farbsensoren nach dem Streifenprinzip anwenden. Bei Streifen-Farbsensoren liegen streifenförmige Filtermasken in vertikaler Richtung nebeneinander über den Sensorzellen. Bei Farbsensoren nach dem Mosaikprinzip müssen zwischen 2 Halbbildtransfers soviel Vertikaltransfers liegen wie es einem ganzzahligen Vielfachen der Mosaikperiode entspricht. The above principle can be applied directly to color sensors according to the Apply the strip principle. With stripe color sensors stripe-shaped filter masks in the vertical direction side by side over the sensor cells. For color sensors after So much mosaic principle between 2 field transfers Vertical transfers lie like an integer multiple corresponds to the mosaic period.
Das Schrotrauschen kann auch wie oben erwähnt durch längere Integrationszeiten reduziert werden . Längere Integrationszeiten der Sensorzellen bedeutet, daß auch das Auslesen der Speicherzellen langsamer erfolgen kann. Es zeigt sich, daß auch hierdurch das sogenannte Transferrauschen reduziert wird. Es ist vorteilig (entsprechend Anspruch 9) den Auslesevorgang der Speicherzellen in dem Maße zu verlangsamen, wie die Belichtungszeit der Sensorzellen erhöht wird.The shot noise can also be prolonged as mentioned above Integration times can be reduced. Longer integration times of the sensor cells means that the reading of the Memory cells can take place more slowly. It turns out that too this reduces the so-called transfer noise. It is advantageous (according to claim 9) the readout of the To slow down memory cells to the extent that Exposure time of the sensor cells is increased.
In einer weiteren Ausgestaltung des Sensors wird entsprechend Anspruch 10 das Verschieben der Makrozellen durch eine mechanische Bewegung des Sensors relativ zum Objektiv erzeugt. Dabei kann entweder der Sensor direkt, oder das Objektiv, oder auch Teile des Objektives bewegt werden. Entscheidend ist nur, daß das Bild am Sensorort relativ zu den Makrozellen bewegt wird. Eine derartige Verschiebung ist zum Beispiel auch möglich, dadurch daß eine einzige Linse des Objektives exzentrisch gedreht wird. Die Linse wirkt dann wie eine zentrisch montierte Linse mit einem nachgeschalteten Prisma das gedreht wird.In a further embodiment of the sensor, the corresponding Claim 10 moving the macro cells through a mechanical movement of the sensor generated relative to the lens. Either the sensor directly, or the lens, or parts of the lens can also be moved. The only thing that matters is that the image at the sensor location moves relative to the macro cells becomes. Such a shift is also possible, for example, in that a single lens of the lens is eccentric is rotated. The lens then acts like a centrally mounted one Lens with a downstream prism that is rotated.
Claims (7)
- a) die Ladung einer Makrozellen nach einer Anlog/Digital- Wandlung in einem Bildspeicher an die Position geschrieben wird, die der Makrozellenposition auf dem Sensor entspricht, also die Makrozelle 3′′+6′′+12′′+15′′ an die Bildspeicherposition b(0,0) und die benachbarte Makrozelle 9′′+30′′+18′′+33′′ an die Bildspeicherposition b(0,2) und die Bildspeicherpositionen b(0,1) b(1,0), b(1,1) sowie b(0,3), b(1,2), b(1,3) zunächst unbeschrieben bleiben, die Makrozellen aber in nachfolgenden Bildaufnahmen entsprechend ihrer horizontalen und vertikalen Ausdehnung schrittweise verschoben und die zwischenliegenden Bildspeicherpositionen beschrieben werden, also im erst folgenden Bild die Makrozelle 6′′+9′′+15′′+18′′ gebildet und an die Bildspeicherposition b(0,1), im zweitfolgenden Bild die Makrozelle 12′′+15′′+21′′+24′′ gebildet und an die Bildspeicherposition b(1,0) und im drittfolgendem Bild die Makrozelle 15′′+18′′+24′+27′′ gebildet und an die Speicherposition b(1,1) geschrieben wird und der Bildspeicher unabhängig von dem Schreibvorgängen sequentiell ausgelesen wird, also b(0,0), b(0,1), b(0,2), b(0,3) . . ., b(1,0), b(1,1) . . .
- b) ein Farbverarbeitungsmode vorgesehen ist, in dem nach einem Vertikaltransfer direkt mindestens ein Horizontaltransfer mit nachfolgendem Vertikaltransfer ohne horizontalen Auslesevorgang vorgesehen ist, wodurch diagonal ausgedehnte Makrozellen 15′′+21′′ bzw. 18′′+24′′ entstehen.
- a) the charge of a macro cell after an analog / digital conversion is written in an image memory to the position which corresponds to the macro cell position on the sensor, that is to say the macro cell 3 ′ ′ + 6 ′ ′ + 12 ′ ′ + 15 ′ ′ to the Image storage position b (0.0) and the neighboring macro cell 9 ′ ′ + 30 ′ ′ + 18 ′ ′ + 33 ′ ′ to the image storage position b (0.2) and the image storage positions b (0.1) b (1.0) , b (1,1) as well as b (0,3), b (1,2), b (1,3) initially remain blank, but the macro cells in subsequent image recordings are gradually shifted according to their horizontal and vertical dimensions and the intermediate image storage positions are described, i.e. in the first picture the macro cell 6 ′ ′ + 9 ′ ′ + 15 ′ ′ + 18 ′ ′ is formed and at the image storage position b (0.1), in the second picture the macro cell 12 ′ ′ + 15 ′ ′ + 21 '' + 24 '' formed and at the image storage position b (1.0) and in the third image below the macro lle 15 ′ ′ + 18 ′ ′ + 24 ′ + 27 ′ ′ is formed and written to the storage position b (1,1) and the image memory is read out sequentially independently of the writing processes, i.e. b (0,0), b (0 , 1), b (0.2), b (0.3). . ., b (1.0), b (1.1). . .
- b) a color processing mode is provided in which, after a vertical transfer, at least one horizontal transfer with subsequent vertical transfer without a horizontal readout is provided, which results in diagonally extended macro cells 15 ′ ′ + 21 ′ ′ or 18 ′ ′ + 24 ′ ′.
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